본문 바로가기 주메뉴 바로가기 검색 바로가기
재생에너지, 훌륭하지만 그리드 성능 저하 유발한다?
상태바
재생에너지, 훌륭하지만 그리드 성능 저하 유발한다?
상당수 태양열 프로젝트와 풍력 프로젝트가 문제를 일으킨다. 에너지 공급이 필요한 곳에서 에너지를 얻기 때문이다.
By GREGORY BARBER, WIRED US

풍력발전소를 건설하고자 한다고 이야기해보자. 버몬트 북부 지역에 멋지고 공허한 언덕이 있다. 언덕에는 꾸준히 약한 바람이 불며, 지역 주민은 가치가 훼손된 관점에서 풍력발전소 설립에 불만의 목소리를 내지 않는다. (다시 말해, 실제 풍력발전소 설치 과정에서는 볼 수 없는 기적과도 같은 상황이다.) 다수 투자자를 모집하고, 적절한 허가 절차를 완료했으며, 터빈 설치를 준비 중이다. 이때, 전선에 문제가 발생한다. 버몬트 시골 지역에는 전선이 충분하지 않다. 모두 보스턴에 밀집했으며, 지역 주민과 주민의 테슬라 차량 충전용으로 사용한다. 따라서 풍력발전소를 설립하고자 할 때, 문제가 발생한다. 풍력발전소 부지에 바람이 충분하지만, 청정에너지를 얻을 방법이 없다.

1889년, 미국이 전체 길이가 무려 14마일(약 22.5km)인 최초의 장거리 전선을 확보했을 때, 그리드 대부분 전력 생성 지역과 상대적으로 가까운 곳에서 에너지를 소비하도록 설치되었다. 먼 곳의 댐에서 수력 전기가 도시에 전력을 공급할 가능성 등 여러 부분에서 기대감이 형성됐으나 대다수 지역은 100여 년간 석탄발전소와 가스 발전소를 거주지 인근에 연결했다. 그러나 이제는 언덕에 흩어져 설치된 풍력발전소와 사막에 길게 늘어진 태양열 발전소가 증가하면서 발전소를 거주지와 먼 곳에 설치하는 것이 보편적인 일이 됐다.

전선은 원거리에서 전력을 공급할 준비가 되지 않았다. 프린스턴대학교 연구팀이 10년 이내로 고전압 전송 역량이 약 60% 증가해야 청정에너지 목표를 달성할 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 펜실베이니아주립대학교에서 그리드를 연구하는 경제학자 세스 블룸색(Seth Blumsack)은 “현재 미국에 설치된 그리드는 현재 미국이 전력 공급에 사용하는 방식에 따라 설계되지 않았다. 하물며, 기존 그리드로 모든 종류의 재생에너지를 생성하는 등 정부 차원에서 원하는 전력 공급 활동을 모두 할 수 있을까?”라고 말했다.

미국 여러 지역에서 풍력과 태양열 모두 가장 저렴한 에너지 생산 수단이 되었다. 그러나 청정에너지 그리드 현대화 옹호 비영리 단체인 재생에너지 통합 센터(Center for Renewables Integration) 공동 창립자인 케리니아 쿠식(Kerinia Cusick)은 풍력과 태양열로 생성한 전력 전송이 제한적이라고 말한다. 즉, 버몬트 시골과 같은 지역에서는 풍력발전소 소유자가 종종 전력 생산에 이상적인 수준으로 바람이 불어도 발전소 가동을 중단하는 ‘단축’ 조처를 해야 한다는 의미이다. 전선에 전달되는 전력량이 지나치게 많기 때문이다.

아직 설립되지 않은 발전소 상황은 더 심각하다. 그리드 제약 때문에 발전소 설립자가 새로운 전선을 설치하고, 전선 설치 비용을 부담한 뒤 터빈이나 태양열 패널을 설치해야 하기 때문이다. 매년 재생에너지 프로젝트 수백 건이 계획 단계에서 더 나아가지 못하고 보류된다. 전력 전송 선 개선 지연과 전선 교체 비용 때문이다.
 
[사진=Unsplash]
[사진=Unsplash]

전력 공급사 라인비전(LineVision) CEO인 허드슨 길머(Hudson Gilmer)는 “재생에너지 프로젝트가 중단될 위험성이 매우 높다”라고 말했다. 라인비전은 다음과 같이 다른 관점에서 재생에너지 프로젝트의 문제를 지적했다. 바로 기존 그리드의 전력 전송량을 늘리면서 문제를 해결하는 것이다. 신규 전선 설치 계획이 승인되더라도 실제 설치로 이어지리라 장담할 수는 없다. 그 누구도 대용량 전선이 뒷마당이나 위험한 습지를 통해 전력을 전송하는 것을 원하지 않기 때문이다. 따라서 길머는 혼선 문제가 심각한 곳에서 더 많은 전력을 공급할 방안을 모색 중이다.
 
“현재 미국에 설치된 그리드는 현재 미국이 전력 공급에 사용하는 방식에 따라 설계되지 않았다. 하물며, 기존 그리드로 모든 종류의 재생에너지를 생성하는 등 정부 차원에서 원하는 전력 공급 활동을 모두 할 수 있을까?”
세스 블룸색, 펜실베이니아주립대학교 경제학자

보통 전선 용량을 최대한 사용하지 않기 때문에 전선의 전송량을 늘리면서 문제를 해결할 수 있다. 전선으로 전달할 수 있는 전력량 제한은 주로 미리 설정되며, 주로 수십 년 전에 고안된 물리학과 공학 이론 관련 가정을 토대로 결정한다. 과거의 가정은 전선 성능을 실제보다 낮은 수준으로 평가한다. 안정적이면서도 안전한 전력 공급 상태 유지 측면에서 이해할 수 있는 부분이다. 그러나 길머를 포함한 다른 이들은 기술 개선으로 전선 소유 기업이 시스템을 더 자세히 관찰하고, 더 많은 전력을 공급할 수 있다고 주장한다. 길머는 “다코타나 웨스트 텍사스 지역에서 생성한 재생에너지를 대도시로 전송할 새로운 고전압 전선이 필요 없다는 뜻은 아니다”라며, 미국에서 가장 인기있는 풍력발전소 생산지 두 곳을 언급했다. 재생에너지 전송을 위한 새로운 고전압 전선을 설치하기 위해 미국은 전자가 빠른 속도로 이동할 경로가 필요하다. 하지만, 병목 현상이 발생하는 곳에 전선의 전력 전송량을 늘리면서 전송이 지연되는 재생에너지 전달 역량을 늘린다는 점이 핵심이다.

라인비전은 동적 송전 용량(dynamic line rating) 기술 전문 기업이다. 전선의 한 가지 물리적 제한 사항은 전선을 통해 전류로 열을 생성한다. 전력이 지나치게 많으면, 전선 발열 문제가 발생하고 팽창하면서 성능이 저하된다. 그와 동시에 불꽃이 발생하면서 화재 사고로 이어질 위험성이 있다. 그러나 실제로 각각의 전선을 관찰하는 이는 없다. 현재의 제한 사항은 최악의 사례를 피할 의도를 지닌 추측을 바탕으로 한다. 날씨와 같이 전선 온도에 영향을 미치는 다른 요소도 여러 가지 찾아볼 수 있다. 주로 전선에 약한 바람이 불면서 전선 온도를 낮춘다. 보통 바람으로 전선 온도를 약 2℃ 낮출 수 있으나 이론적으로는 전력 전송량을 늘리기 충분한 수준이다. 따라서 라인비전은 라이다를 포함한 다른 여러 장비를 사용해 전선 성능 저하를 관측할 센서를 설치한다. 라인비전은 센서를 이용하면, 전선 성능을 최대 40% 높일 수 있다고 주장한다.

바람과 태양과 함께 이동하고 흐르는 재생에너지는 전선이 전달할 수 있는 전력량이 더 불확실하다는 문제가 있다. 이른바 ‘전력 강화’ 기술을 연구하는 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Lab) 소속 연구원인 칼 임호프(Carl Imhoff)는 “융통성이 재생에너지 전력 전송 발전 가치의 핵심이다”라고 말했다. 그리드를 통해 전력이 흐르는 방식을 예측하는 일은 매우 어렵다. 전력 공급량과 수요에 따라 그리드에서 전력이 흐르는 방식을 판단할 수 있으며, 특정 전선을 정체 상태로 두면서 다른 전선을 전혀 사용하지 않을 수도 있다. 그 첫 번째 단계는 현재 전선에 발생하는 일을 파악하는 것이다. 이는 전선을 통한 전력 흐름 변화를 재빨리 측정하는 전기 감시 기기인 동기위상기(synchrophasor)라는 기기 네트워크에 의존하여 확인할 수 있다. 동기위상기를 이용한 전력 흐름 관측은 그리드 운영사가 전력 전송 정체가 발생하는 부분을 파악하는 데 도움이 된다. 그리고, 전선에 전압을 적용하면서 더 나은 경로를 통해 전력이 다시 이동하도록 할 수 있다. 새로이 경로가 지정된 전선을 통해 전류 흐름을 밀어내거나 끌어당길 수 있다.

이와 같은 기술은 실제로 영국에서 사용하는 기술이기도 하다. 영국 전역의 전선 운영 기업인 국립 그리드(National Grid)는 전력 흐름 기기를 이용해 재생에너지가 풍부한 북부 지역에서 전력이 부족한 런던 일대로 전력이 향하도록 한다. 국립 그리드의 미국 공공재 기관 청정에너지 개발을 지시하는 테런 힐(Terron Hill)의 설명에 따르면, 전력 흐름 방향 이동 수단은 미국 북동부 지역에 매우 유용할 것이다. 미국 북동부 지역은 복잡하게 얽힌 전선으로 전력을 공급하지만, 종종 전선은 재생에너지 생성에 가장 적합한 지역에 필요한 수준으로 두껍지 않다. 힐은 전선 유지 관리 작업을 위해 80년 된 장비로 관찰한 뒤 미국 북동부 지역에 설치된 전선이 미국 내 가장 오래된 전선이라는 점에도 주목했다.

전력 흐름 이동 속도는 느리다. 국립 그리드는 동적 송전 용량을 포함한 다양한 그리드 강화 툴을 실험해, 허드슨 밸리 지역의 전선 성능을 개선하고, 뉴욕시 남부 지역에 재생에너지를 공급하고자 했다. 그러나 대다수 지역에서 전송 수준 강화를 위한 직접적인 전략이 이어졌다. 이미 전선 추가 설치 작업 중인데도 전선 추가 설치 전략도 포함됐다. 힐은 “무조건 전선을 새로 설치해야 한다는 사고에서 벗어나 고객에게 최적의 전력 공급과 네트워크 사용 효율성을 강화해야 한다”라고 말했다.

무조건 전선을 새로 설치해야 한다는 고정관념이 빠른 속도로 불안정해지는 상황이다. 그리드는 복잡하다. 투자자의 요구에 대응하는 민간 전력 공급사와 공공 기관 등 전선 대부분을 소유하고 운영하는 기관, 그리고 전선과 연결하게 될 재생에너지 발전소 설립 기관은 다르다. 복잡한 계획 기관과 규제 당국은 전체 전력 시스템을 간과하며, 미국 연방에너지규제위원회(FERC)가 국가 차원에서 전력 시스템을 관리한다. 전력 공급 사업 승인과 함께 새로이 전선을 설치할 수 있다면, 주로 고객사의 수요에 따라 계획을 다루게 된다. 또한, 전력 공급 사업 기관과 이해 관계자가 투자 이익을 다시 얻게 된다는 점을 보장한다. 발전기를 가동하면서 그리드를 활용하고자 하는가? 다른 문제이다. 주변 전선 소유 기업은 전선 업그레이드에 필요한 부분과 업그레이드 비용을 이야기하며, 신규 태양열 발전소나 풍력발전소 소유 기업이 전선 업그레이드 비용을 부담한다.

신규 전선 설치 전략과 기존 전선 성능 강화 전략 모두 기존 전선 효율성을 강화할 수 있다. 신규 전선 대규모 투자는 전선을 설치하는 기업이 더 큰 수익을 얻게 된다는 사실을 의미한다. 다시 말해, 거액을 투자할수록 더 큰 수익을 거둘 수 있다. 전력 사업 기업이 신기술의 잠재성을 파악하더라도 안전성과 안정성 등 위험성이 따르기 마련이며, 신규 인력 투자와 교육 효과가 기대만큼 크지 않을 수도 있다. 블룸색은 “신규 전력 사업의 실패 위험성이 크다. 새로운 사업을 시도했으나 실패했다면, 누가 투자하겠는가?”라고 말했다.

전력 사업 기업은 안정성 문제가 신중한 태도의 기반이 된다고 말한다. 최신 장비를 이용해 전선 성능을 향상한다면, 결국 전력 사업 기업의 벌금 부과와 고객 비용 부담 인상이라는 문제로 이어질 수 있다. 피츠버그 전력 사업 기업인 두퀴슨 라이트 컴퍼니(Duquesne Light Company)의 첨단 그리드 솔루션 총괄 엘리자베스 쿡(Elizabeth Cook)은 “기업이 혁신할 수 없는 순간에 이르게 될 것이다”라고 말했다. 사업 진행에 앞서 실험이 중요한 이유이다. 재생에너지 생성에 매우 적합한 지역이 아니거나 당장 심각한 전력 전송 중단 문제를 겪을 수 있다. 그러나 전력 사업 기업은 라이트비전의 기기를 이용해 데이터를 수집할 수 있다. 라이트비전의 기기를 활용한다면, 필요 시 전선 성능을 강화할 수 있다.

힐의 주장에 따르면, FERC를 비롯한 기관이 제공하는 혜택이 전력 사업 기업의 신기술 적용과 데이터 수집에 도움이 될 것이다. FERC는 전력 사업 기업 대상 혜택 제공 방안을 고려한다. 그리드 운영과 관련된 여러 기업의 협력 등 효율성을 강화한 그리드 계획에 혜택을 제공하는 신규 규정을 적용할 수도 있다. 그리드 성능 향상을 옹호하는 쿠식도 FERC의 혜택 제공 방안이 발전기의 전력 전송 능력 추가 개선을 유도할 수 있어, 신규 전선 비용이 그리 비싸지 않을 것이라고 말한다.

그러나 블룸색은 가장 필요한 요소가 전력 그리드에 전반적으로 더 우수한 계획을 적용하는 것이라고 강조한다. 기존 그리드 성능 강화 기술은 광범위한 문제의 한 부분에 불과하다. 노후화된 그리드의 위상 배치는 제 기능을 하지 못하며, 올바른 방향으로 전력 공급이 이루어지려면 많은 조치가 필요하다. 현재 필요한 지역에 전선을 새로이 효율적으로 설치하는 것뿐만 아니라 앞으로 필요할 곳에도 전선을 미리 설치해야 한다는 의미이다. 또한, 더 많은 전력을 얻을 수 있는 모든 기술을 함께 활용해야 한다. 신규 전선 설치와 기술 모두 없다면, 재생에너지 생성에 필요한 바람이 불고 햇빛이 충분하더라도 재생에너지 생성 잠재성을 최대한 활용할 수 없을 것이다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
Renewable Energy Is Great—but the Grid Can Slow It Down
이 기사를 공유합니다
RECOMMENDED